趙劉偉，張 葵

（1.中國建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610041；2.成都市氣象局，四川 成都 610072）

0 引言

目前，對城市型水災(zāi)害成因和防災(zāi)減災(zāi)對策的研究越來越受到政府和社會的重視，已成為一個國際性的研究熱點(diǎn)[1]。為適應(yīng)氣候趨勢性變化，保障城市安全，客觀表達(dá)城市暴雨特征，提高城市室外排水工程設(shè)計(jì)的科學(xué)性，編制和修訂城市暴雨強(qiáng)度公式顯得尤為重要[2]。暴雨強(qiáng)度公式編制常用的暴雨選樣方法主要有年最大值法和年多個樣法。2015年之前，我國城市使用的暴雨公式大多是采用年多個樣法推導(dǎo)出來的，而發(fā)達(dá)國家由于城市雨量資料年限較長且城市排水設(shè)計(jì)重現(xiàn)期取值較高，于上世紀(jì)70年代就采取年最大值法[3-4]。目前國內(nèi)暴雨選樣專家學(xué)者及規(guī)范推薦采用年最大值法[5-10]，采用年最大值法編制暴雨強(qiáng)度公式暴雨樣本資料年限至少需要二十年以上，須有最近年份的降雨資料，且資料年份越長越為可靠[11]。

成都市中心城區(qū)分鐘降水量資料比較完善的氣象站有國家監(jiān)測站成都站，區(qū)域自動氣象站青羊區(qū)光華村西、金牛區(qū)稅務(wù)局、成華區(qū)二仙橋等四個氣象站。由于歷史原因，國家監(jiān)測站成都站2004年遷至溫江，國家監(jiān)測站成都站分鐘降水量資料有自1971年至2003年共33年的詳細(xì)記錄，而區(qū)域自動氣象站及溫江氣象站降雨數(shù)據(jù)記錄自2005年以來開始使用。截至暴雨強(qiáng)度公式修訂工作啟動時（2015年），青羊區(qū)光華村西、金牛區(qū)稅務(wù)局、成華區(qū)二仙橋及溫江氣象站連續(xù)降雨記錄資料才有十年，樣本的代表性不足，而國家監(jiān)測站成都站又缺少近十年的降雨記錄，因此對暴雨樣本系列的選取帶來一定困難?，F(xiàn)以國家監(jiān)測站成都站暴雨樣本為基礎(chǔ)，通過對續(xù)接站點(diǎn)的合理性論證分析，選擇出了成都市中心城區(qū)暴雨強(qiáng)度公式修編的最優(yōu)暴雨樣本系列，對類似情況的暴雨樣本選取具有一定的借鑒意義。成都市已于2015年完成中心城區(qū)暴雨強(qiáng)度公式的修訂工作，目前已發(fā)布并較好地用于指導(dǎo)成都市中心城區(qū)排水設(shè)施的建設(shè)。

1 數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

成都市地處四川盆地西部，青藏高原東緣，地理位置介于東經(jīng)102°54′～104°53′、北緯30°05′～31°26′之間。全市土地面積為14 335 km2。地勢由西北向東南傾斜，西部屬于四川盆地邊緣地區(qū)，東部屬于四川盆地盆底平原。成都屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫16℃，年降雨量1 000 mm 左右，成都的雨水集中在7、8 兩個月，冬春兩季干旱少雨，極少冰雪。

1.2 數(shù)據(jù)來源

該項(xiàng)研究所有所涉及的降雨量數(shù)據(jù)均來自氣象部門的觀測數(shù)據(jù)，均符合氣象觀測規(guī)范，具有足夠的可靠性。同一觀測站點(diǎn)的連續(xù)觀測資料均來自同一類型或同一條件，具有一致性和代表性；各個觀測站點(diǎn)均是相互獨(dú)立的，因此其觀測資料具有獨(dú)立性。具體的降水資料及年限見表1 所列。

表1 暴雨樣本氣象站點(diǎn)概況一覽表

因成都市中心城區(qū)國家氣象站2004年之后遷站至溫江，2005年之后的樣本資料選取只有從中心城區(qū)其余站點(diǎn)選取，為了研究續(xù)接站點(diǎn)的合理性，初步擬定以下4 個系列樣本，然后論證分析選擇最優(yōu)的樣本系列（見表2）。

表2 暴雨樣本序列一覽表

按照相關(guān)要求[2]，暴雨公式編制的降雨歷時應(yīng)采用5 min、10 min、15 min、20 min、30 min、45 min、60 min、90 min、120 min、150 min、180 min 共11 個歷時。選取降雨資料樣本中各降雨歷時雨量的逐年最大值，作為暴雨強(qiáng)度公式編制的有效暴雨資料樣本。采用逐分鐘滑動統(tǒng)計(jì)法，選取各降雨歷時雨量逐年最大值的降雨場次，記錄選定降雨場次過程開始時間及逐分鐘降雨量,作為各降雨歷時的有效降雨資料樣本。同一場次降雨過程中，同一種歷時降雨不可以交叉，不受日、月界的限制（但不跨年）。選取降雨資料樣本中各降雨歷時雨量的逐年最大值，作為暴雨強(qiáng)度公式編制的有效暴雨資料樣本。

2 研究方法

2.1 與周邊區(qū)域氣象站點(diǎn)的降雨特性相關(guān)性分析

由于相鄰區(qū)域地理氣候差異性不大，降雨具有空間的連續(xù)性和相似性，若周邊相鄰地區(qū)具有足夠的降雨監(jiān)測數(shù)據(jù)，則可結(jié)合當(dāng)?shù)貪M足規(guī)范要求的降雨資料，確定該地區(qū)定點(diǎn)定面的綜合關(guān)系，進(jìn)行暴雨樣本的比選[12-13]。選取成都地區(qū)所有大監(jiān)站（成都市中心城區(qū)周邊13 個區(qū)市縣）資料齊整的年總降水量與年1 小時暴雨個數(shù)作為樣本，以各系列樣本為代表的站點(diǎn)與成都市中心城區(qū)周邊區(qū)域內(nèi)上述13 個氣象站點(diǎn)的年總降水量與年1 小時暴雨個數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，如果所選暴雨樣本系列和周邊降雨特性相似的站點(diǎn)樣本相關(guān)性較好，則該暴雨樣本具有較好的代表性。

樣本的簡單相關(guān)系數(shù)一般用r 表示，其中n 為樣本量，Xi和分別為兩個變量的觀測值和均值。r 描述的是兩個變量間線性相關(guān)強(qiáng)弱的程度。r 的取值在-1 與+1 之間，若r＞0，表明兩個變量是正相關(guān)，即一個變量的值越大，另一個變量的值也會越大；若r＜0，表明兩個變量是負(fù)相關(guān)，即一個變量的值越大另一個變量的值反而會越小。的絕對值越大表明相關(guān)性越強(qiáng)，要注意的是這里并不存在因果關(guān)系。r=0，表明兩個變量間不是線性相關(guān)。

2.2 與降水特性變化相似區(qū)域降雨統(tǒng)計(jì)的類比分析

根據(jù)成都地區(qū)降水空間特性和各站點(diǎn)降雨特征分析，成都市中心城區(qū)降水特性變化與都江堰氣象站為代表的片區(qū)降水特性變化有很大相似性。基于成都市中心城區(qū)暴雨樣本推導(dǎo)出的暴雨強(qiáng)度值的變化特性，應(yīng)與利用都江堰氣象站樣本資料（暴雨資料年份為1971-2014年）推導(dǎo)出的暴雨強(qiáng)度值的變化特性相似。以國家監(jiān)測站成都站暴雨樣本為基礎(chǔ)（1971-2003年份資料），分別續(xù)接成都市中心城區(qū)范圍內(nèi)區(qū)域站（成華區(qū)二仙橋、金牛區(qū)稅務(wù)局、青羊區(qū)光華區(qū)）的樣本資料，運(yùn)用理論頻率分布曲線進(jìn)行調(diào)整后的暴雨強(qiáng)度值變化特性對比研究。如果續(xù)接區(qū)域站的暴雨強(qiáng)度計(jì)算值的變化特性與都江堰暴雨強(qiáng)度值的變化特性較接近，那么該區(qū)域站的代表性最好，推導(dǎo)出的暴雨強(qiáng)度公式最可信。

對城市暴雨樣本常使用三種理論分布曲線進(jìn)行擬合調(diào)整，分別是皮爾遜Ⅲ（P-Ⅲ）型分布、指數(shù)分布和耿貝爾分布，各國家和地區(qū)采用的方法均不同[14]。根據(jù)相關(guān)資料及研究成果[15-16]，應(yīng)用耿貝爾分布模型對暴雨樣本進(jìn)行頻率分布曲線調(diào)整的精度更好。因此，采用耿貝爾分布曲線對暴雨樣本進(jìn)行頻率調(diào)整。耿貝爾分布函數(shù)[15]為:

式中：x 為水文量；P（x＜xp）為耿貝爾分布的水文量小于xp概率；u、v 為為統(tǒng)計(jì)參數(shù)。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 依據(jù)年總降水量與年1 小時暴雨個數(shù)進(jìn)行優(yōu)選研究

選取成都地區(qū)所有大監(jiān)站資料齊整的年總降水量與年1 小時暴雨個數(shù)作為樣本，進(jìn)行相關(guān)系數(shù)計(jì)算。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1 所示，以各系列樣本為代表的站點(diǎn)與區(qū)域內(nèi)其他站點(diǎn)年總降水量相關(guān)系數(shù)平均差值最小的是樣本系列3，平均差值為0.01，這說明樣本系列3 與各站的相關(guān)系數(shù)差值波動最小。

圖1 各樣本系列與成都年總降水量相關(guān)系數(shù)的差值圖（無量綱）

統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2 所示，以各系列樣本為代表的站點(diǎn)與區(qū)域內(nèi)其他站點(diǎn)成都年1 小時暴雨個數(shù)相關(guān)系數(shù)平均差值最小的是樣本系列3，平均差值為0.03，這說明樣本系列3 與各站的相關(guān)系數(shù)差值波動最小。

圖2 各樣本系列與成都年1 小時暴雨個數(shù)相關(guān)系數(shù)的差值圖（無量綱）

3.2 依據(jù)汛期24 小時降水進(jìn)行優(yōu)選研究

利用國家監(jiān)測站成都站和溫江、青羊區(qū)光華村西、金牛區(qū)稅務(wù)局、成華區(qū)二仙橋三個氣象站汛期24小時降水資料分析，成都站和溫江站10年降水資料（1994-2003）進(jìn)行比較，兩站降水序列相關(guān)系數(shù)為0.692；市區(qū)3 個站點(diǎn)與溫江站8年資料（2006-2013）進(jìn)行比較，青羊區(qū)光華村西和溫江站降水序列相關(guān)系數(shù)0.560，金牛區(qū)稅務(wù)局和溫江站降水序列相關(guān)系數(shù)0.666，成華區(qū)二仙橋和溫江站降水序列相關(guān)系數(shù)0.58。從相關(guān)系數(shù)來看金牛區(qū)稅務(wù)局降水序列效果好于青羊區(qū)光華村西站點(diǎn)和成華區(qū)二仙橋站點(diǎn)；分析青羊區(qū)光華村西和金牛區(qū)稅務(wù)局兩降水序列相關(guān)系數(shù)為0.732，表明市區(qū)兩序列相關(guān)性較好，能代表市區(qū)降水真實(shí)情況，而溫江區(qū)站點(diǎn)由于距離市區(qū)距離較遠(yuǎn)，相關(guān)性稍差。

進(jìn)一步分析，假設(shè)成都站點(diǎn)降水與青羊區(qū)光華村西、金牛區(qū)稅務(wù)局和成華區(qū)二仙橋降水連續(xù)，續(xù)借1994-2003年和2006-2013年兩時段，比較與同時段的溫江降水序列相關(guān)。青羊區(qū)光華村西與溫江站相關(guān)系數(shù)為0.625 787，成華區(qū)二仙橋與溫江站相關(guān)系數(shù)為0.636 545，金牛區(qū)稅務(wù)局與溫江區(qū)相關(guān)系數(shù)為0.677 572。即金牛區(qū)稅務(wù)局與56 294 降水序列相關(guān)較高，與之前單獨(dú)的相關(guān)相近，因此我們認(rèn)為用金牛區(qū)稅務(wù)局站點(diǎn)的數(shù)值代表成都后續(xù)年限的降水量是最優(yōu)選擇。

3.3 與降水特性變化相似區(qū)域降雨統(tǒng)計(jì)的類比分析

根據(jù)續(xù)接區(qū)域站后的暴雨樣本推導(dǎo)的暴雨強(qiáng)度值與基于都江堰氣象站點(diǎn)暴雨樣本推求的暴雨強(qiáng)度值絕對量及相對量的變化形態(tài)研究（見圖3～圖6），可以發(fā)現(xiàn)，從絕對變化量來看，續(xù)接金牛區(qū)站點(diǎn)樣本資料推導(dǎo)出來的暴雨強(qiáng)度值變化曲線較接近（或平行）于都江堰樣本系列推導(dǎo)的暴雨強(qiáng)度值，且隨著重現(xiàn)期的增加，變化形態(tài)接近度越大；從相對變化量來看，變化形態(tài)與絕對變化量的變化形態(tài)一致，且續(xù)接金牛區(qū)站點(diǎn)樣本資料推導(dǎo)出來的暴雨強(qiáng)度值較接近都江堰樣本系列推導(dǎo)的暴雨強(qiáng)度值。因此可以判定，成都市國家氣象站樣本系列+金牛區(qū)稅務(wù)局區(qū)域站的樣本系列作為暴雨強(qiáng)度公式推導(dǎo)的暴雨樣本最優(yōu)。

圖3 T=5年的暴雨強(qiáng)度值形態(tài)變化曲線圖

圖4 T=10年的暴雨強(qiáng)度值形態(tài)變化曲線圖

圖5 T=30年的暴雨強(qiáng)度值形態(tài)變化曲線圖

圖6 T=50年的暴雨強(qiáng)度值形態(tài)變化曲線圖

4 結(jié)論

（1）以各系列樣本為代表的站點(diǎn)與成都市中心城區(qū)周邊區(qū)域內(nèi)13 個氣象站點(diǎn)的年總降水量與年1小時暴雨個數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析表明，成都市國家氣象站+金牛區(qū)稅務(wù)局區(qū)域站為代表的降雨特性總體一致性較好。

（2）溫江站、青羊區(qū)光華村西和金牛區(qū)稅務(wù)局、成華區(qū)二仙橋三個站2005-2014年的汛期24 小時降水資料的相關(guān)性分析表明，金牛區(qū)稅務(wù)局降水序列效果好于青羊區(qū)光華村西站點(diǎn)和成華區(qū)二仙橋站點(diǎn)，能代表成都市中心城區(qū)降水特性。

（3）續(xù)接區(qū)域站后的暴雨樣本推導(dǎo)的暴雨強(qiáng)度值與基于都江堰氣象站點(diǎn)暴雨樣本推求的暴雨強(qiáng)度值絕對量及相對量的變化形態(tài)研究表明，續(xù)接金牛區(qū)站點(diǎn)樣本資料推導(dǎo)出來的暴雨強(qiáng)度值與都江堰樣本系列推導(dǎo)的暴雨強(qiáng)度值的形態(tài)變化總體一致。

（4）通過以上分析，均認(rèn)為國家監(jiān)測站成都站續(xù)接金牛區(qū)稅務(wù)局氣象站的暴雨樣本能較好的代表成都市區(qū)的降水規(guī)律，該暴雨樣本系列是成都市中心城區(qū)進(jìn)行暴雨強(qiáng)度公式推求的最優(yōu)暴雨樣本。